Полная версия

Главная arrow Математика, химия, физика arrow БИОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Биохимия молока и продуктов его микробиальной переработки

Молоко

Молоко представляет собой биологическую жидкость, которая образуется в молочной железе самок млекопитающих и предназначена для вскармливания новорожденных детенышей. Вместе с тем, молоко ряда животных и продукты его микробиальной переработки широко используются для питания людей всех возрастов.

В молоке - около 200 индивидуальных веществ. Содержание наиболее важных из них показано в таблице 11.3.

Таблица 11.3

Химический состав молока (%) некоторых млекопитающих

Млекопи

тающие

Сухое вещество (после удаления волы)

Жир

Белки

Лакта

за

Мине

ральные

вещест

ва

Энергетическая ценность кДж/100 г молока

всего

в том числе казеина

Корова

12,1

3,6

3,2

2,6

4,6

0,7

264

Коза

13,2

4,3

3,6

3,0

4,5

0,85

294

Овца

18,4

6,7

5,9

4,8

4,8

0,96

428

Буйволица

17,4

7,7

4,3

3,6

4,6

0,80

436

Олень

36,7

22,5

10,3

8,7

2,5

1.4

1062

Лошадь

10,7

1,8

2,1

1,2

6,4

0.4

197

Верблюд

15,5

5,4

3,8

2,9

5,1

0,7

344

Кит

42,0

12

1,5

0,9

Дельфин

45,0

5,6

1,4

0,6

Человек

11,8-12,9

3,3-5,3

0,9-1,1

0,3-0,4

6,6-7,0

0,2-0,3

Примечание: 4,19кДж = 1 ккал.

Содержание воды в молоке в зависимости от вида животных варьируется в пределах 54-90%. Интересно отмстить, что в женском молоке в сравнении с коровьим белков в 3,3-3,% раза меньше, углеводов в 1,6 раз больше, а минеральных веществ в 3 раза меньше. В белках коровьего молока преобладает казеин (80%), а в женском молоке - сывороточные белки альбуминового типа (65%).

Молоко - жидкость белого цвета, обладающая свойствами поли- дисперсной системы с элементами истинных и коллоидных растворов, суспензий и эмульсий. Плотность молока - 1,027-1,033 г/см , температура замерзания - около -0,55°С, осмотическое давление - 6,66- 6,76 кПа, реакция среды близка к нейтральной (pH = 6,5-7,0).

Для понимания естественных биохимических процессов, происходящих в молоке, а также методов и приемов его технологической переработки важно вспомнить некоторые физико-химические особенности жидких растворов.

Различают растворы истинные и коллоидные. В контексте рассматриваемой темы нас интересуют водные растворы. Молекулы воды, как известно, являются диполями с сильным разделением зарядов (диэлектрическая проницаемость s =84).

Истинный раствор содержит ионное (например, NaCI) или сильнополярное ковалентное (Н—CI) растворенное вещество в виде сольватированных ионов, а малополярные органические соединения с типично ковалентными связями (например, этанол, глюкоза) - в виде сольватированных индивидуальных молекул. В качестве индивидуальных молекул в ряде случаев могут выступать и макромолекулы высокомолекулярных соединений (углеводов, белков и др.), образуя так называемые растворы ВМС.

В случае ионных и легко диссоциирующих на ионы соединений сольватная оболочка частиц формируется за счет диполь-ионного взаимодействия, ковалентные же соединения сольватируются за счет водородных связей и диноль-диполыюго взаимодействия молекул растворителя со сравнительно слабо поляризованными группами (СООН, CONH2, NH2, ОН и др.) мономеров и биополимеров.

Коллоидные pac t воры относятся к дисперсным система, суть которых заключается в том, что в растворителе (дисперсионной среде) распределяется раздробленное вещество в виде более или менее мелких частиц (дисперсная фаза).

Мерой дисперсности является поперечный размер частиц а см либо обратная величина - дисперсность D = - смл. Физический смысл последней сводится

а

к числу частиц, укладывающихся в 1 см.

Раствор называется коллоидным, или золем, если величина а лежит в пределах 10‘7—105 см (1-100 мкм). Соответственно /) = 107 —105 см'1. Такие частицы содержат агрегаты множества молекул и обнаруживаются с помощью ультрамикроскопа. Укрупнение частиц дисперсной фазы приводит к образованию суспензий (твердое в жидком) либо эмульсий (жидкость в жидкости). Неоднородность суспензий и эмульсий обнаруживается при помощи обыкновенного микроскопа и даже невооруженным глазом.

В коллоидных растворах частицы дисперсной фазы образуют сольватиро- ванные мицеллы. В случае лиофобных коллоидов, образуемых нерастворимыми или малорастворимыми в воде веществами (Agl, Fe(OH)j), сольватная (гидратная) оболочка мицелл формируется за счет двойного электрического слоя на поверхности гранул мицеллобразующего вещества.

В лиофильных коллоидах мицеллы образуются полимерными молекулами белков (например, казеина), крахмала, клея, кремневой кислоты. Их сольватация осуществляется за счет водородных связей и диполь-дипольного взаимодействия. В отдельных случаях может проявляться сольватация заряженных групп.

Агрегативная устойчивость коллоидных систем ограничена во времени. Слипание мицелл и выпадение в осадок дисперсной фазы называется коагули-

цией. Обратный же процесс - перевод осадка в коллоидное состояние - называется пептизацией.

С целью предотвращения коагуляции мицеллы стабилизируют молекулами ПАВ (например, мыла), белков или углеводов, способными налипать на мицеллах и наращивать сольватную оболочку, что способствует поддержанию частицы «на плаву». И, наоборот, вещества, разрушающие сольватные оболочки мицелл (электролиты, например, NaCl, (NH^SC^, низшие спирты, ацетон) вызывают коагуляцию (свертывание). Явления коагуляции и стабилизации характерны также для суспензий и эмульсий.

Выпадающие при коагуляции осадки могут приобретать вид студня. В свою очередь студни со временем могут сокращаться в объеме и выделять из себя жидкость. Такое явление называется синерезисом.

Одни студни при высыхании превращаются в жесткую хрупкую массу, которую можно истолочь в порошок (например, силикагель). Другие студни, например, желатины и других белков, при высушивании сильно сжимаются и превращаются в эластичную массу. Последние способны поглощать жидкость и сильно набухать вплоть до образования золя.

Рассмотрим основные составные части молока. Химический состав молока определяет его биологическую ценность, влияет на условия технологической переработки, выход и качество молочных продуктов.

Средний состав сухого остатка коровьего молока показан на рисунке 11.1.

Химический состав сухого остатка коровьего молока с массовой долей около 12% (по К.К. Горбатовой)

Рис. 11.1. Химический состав сухого остатка коровьего молока с массовой долей около 12% (по К.К. Горбатовой)

В молоке содержится порядка 86-89% воды. Большая ее часть (83-85%) находится в свободном состоянии и может принимать участие в биохимических реакциях. 3-3,5% воды находится в связанном состоянии. Она удерживается молекулярными силами около коллоидных частиц белков, фосфолипидов и полисахаридов. Гидратация последних обусловлена наличием на поверхности их мицелл полярных групп (гидрофильных центров), обладающих способностью образовывать водородные связи.

Связанная вода не удаляется из молока высушиванием. По количеству связанной воды судят о гидрофильности белков. После удаления из молока свободной воды остается сухой остаток (11-14%), содержащий все составные части природной композиции. Более постоянную величину, чем содержание сухого остатка представляет собой содержание сухого обезжиренного молочного остатка (СОМО) (8-9%). По СОМО судят о натуральности молока. Если эта величина меньше 8%, то молоко, вероятно, разбавлено водой.

В состав молока входит в среднем 3,2% белков - простых (протеинов) и сложных (протеидов). К числу протеидов относятся глико- протеиды, липопротеиды, фосфопротеиды, структуры более сложного сгроения.

Белки молока разделяют на 3 группы. К первой, основной группе относится казеин, содержащий 4 фракции, в частности, «-(две модификации), р- и ^-казеин. Вторую группу составляют сывороточные белки: р -лактоглобулин, а -лактальбумин, иммуноглобулин, альбумин сыворотки крови и некоторые минорные белки (например, лактофер- рин).

К третьей группе относятся белки оболочек жировых шариков, составляющих около 1% всех белков молока. По природе это гликопротеиды, содержащие 15-50% углеводов. Они играют роль стабилизаторов дисперсной системы, поскольку наращивают сольватную оболочку частиц дисперсной фазы, а также способствуют стабилизации жировых шариков во время технологической обработки.

Белки молока имеют глобулярную структуру.

Главным белком молока является казеин (2,1-2,9%). Молекулярная масса 19.000-25.000. Все фракции казеина являются фосфопротсидами, то есть содержат остатки фосфорной кислоты (органический фосфор), связанные с гидроксильной группой аминокислоты серина связью О-Р

Остатки серинфосфата в полипептидных цепях казеина фракций а и р определяет их чувствительность к ионам кальция. Кальциевые мостики между цепями казеинов вызывают их агрегацию и выпадение в осадок.

^-Казеин содержит лишь один остаток серинфосфата и не образует таких мостиков, адсорбируется на поверхности казеиновых мицелл.

С ионами металлов (Са2+, Mg2+, К+, Na+) казеин образует соли, а основные аминогруппы блокируются формальдегидом (см. и.9.2), что позволяет определять содержание белков в молоке методом формоль- ного титрования.

При иодировании тирозина, входящего в состав казеина, образуется иодказеин, используемый для борьбы с йодной недостаточностью в организме человека.

При осаждении казеина из молока кислотой (при р 4,6-4,7) в сыворотке остается около 0,6% белков, которые называются сывороточными. Они состоят из р -лактоглобулина, а -лактальбулина, иммуноглобулинов, альбумина сыворотки крови и лактоферрина. Их выделяют из сыворотки с помощью ультрафильтрации и применяют для обогащения различных пищевых продуктов.

р-Лактоглобулин (50-54% белков сыворотки) подвержен тепловой денатурации, и при 85-100°С он коагулирует почти полностью. При пастеризации молока денатурированный р -лактоглобулин вместе с Са3(Р04)2 выпадает в осадок в составе молочного камня и образует комплексы с *-казеином казеиновых мицелл.

а -Лактальбулин (20-25% белков сыворотки) устойчив к нагреванию, что обусловливает обратимость его денатурации - после охлаждения наблюдается восстановление его нативной свернутой структуры (реденагурации).

а-Лактальбулин необходим для биосинтеза лактозы из глюкозы и галактозы.

Структурными элементами оболочек жировых шариков являются гликопротсиды, обеспечивающие их стабильность при температурной и механической обработке молока и сливок.

В состав липидов молока входят нейтральные жиры (сложные эфиры глицерина и жирных кислот), фосфолипиды, стерины, в частности, холестерин как свободный, так и в виде сгеридов, то есть связанный кислотами в сложные эфиры. Содержание в молоке молочного жира колеблется в пределах 2,S-4,5%.

Наряду с липидами различных типов в молочном жире обнаруживаются пигменты (каротин) и витамины , Д Е). Витамин Е - естественный антиоксидант жира.

В ряду углеводов, включенных в состав молока, обнаруживаются моносахариды, дисахариды, в незначительных концентрациях - триса- хариды и более сложные олигосахариды. Моносахариды представлены глюкозой, галактозой и фруктозой. Важнейшие дисахариды: лактоза (молочный сахар), мальтоза (солодовый сахар) и сахароза (свекловичный сахар). Первые два дисахарида содержат в циклической форме гликозидный гидроксил, который при раскрытии цикла в растворе трансформируется в альдегидную группу, что делает эти биозы довольно эффективными восстановителями и но этой причине - полезными для организма антиоксидантами. Сахароза в отличие ог лактозы является нередуцирующим дисахаридом.

Основным углеводом молока является лактоза, выполняющая главным образом энергетическую функцию. При 20°С в молоке она существует в а и /?-формах в соотношении 40:60. Удельное вращение равновесного раствора составляет 52,5°.

Из водных растворов лактоза кристаллизуется в а -форме с одной молекулой воды. В такой форме ее выделяют из молочной сыворотки ми используют в пищевой и фармацевтической промышленности, в частности, в производстве пенициллина. Кристаллизация лактозы имеет место при получении сгущенного молока.

При нагревании молока до температуры выше 100°С (в условиях стерилизации и высокотемпературной обработки) молочный сахар (лактоза) частично превращается в лактулозу, которая отличается тем, что звено глюкозы исходного дисахарида замещено звеном фруктозы.

Лактулоза не выклисталлизовывается из воды. Она в два раза слаще лактозы, стимулирует развитие в кишечнике детей бифидобактерий и по этой причине широко используется в производстве продуктов детского питания.

Обычно при выработке сухих молочных продуктов применяют смесь лактулозы с лактозой - лакто-лактулозу.

Лактулозу используют для лечения ряда кишечных заболеваний, диабета, цирроза печени.

При высоких температурах (160-180°С) молочный сахар карамелизуется, и его раствор приобретает коричневую окраску.

Нагревание молока выше 95°С вызывает его легкое побурение как следствие взаимодействия лактозы с белками и свободными аминокислотами. При этом образуются меланоидины вещества темного цвета с привкусом карамели.

Молочный сахар гидролизуется под действием кислот, а также фермента лактазы, выделяемого молочнокислыми бактериями, дрожжами и др. микроорганизмами.

Лактоза под действием ферментов микроорганизмов подвергается брожению.

Различают молочнокислое, спиртовое, пропионовокислое

и другие виды брожения. Все виды брожения до образования нирови- ноградной кислоты идут по одной и той же схеме. На первой стадии лактоза под влиянием фермента лактазы распадается на моносахариды. Галактоза не подвергается непосредственному брожению и предварительно изомеризуется в глюкозу. Ферменты, вызывающие брожение, характеризуются высочайшей субстратной селективностью и ассимилируют только а -глюкозу.

В молоке обнаруживаются макроэлементы (Са, Р, Mg, Na, К, Cl, S) и микроэлементы (Fe, Си, Zn, 1 и др.). Среднее содержание наиболее важных макроэлементов в молоке (в мг%, то есть в мг на 100 г продукта): кальций - 120 (120 • 10_3% = 0,12%); фосфор - 95, калий - 140, нагрий - 50, магний - 12, хлор - 100. В ряду продуктов: молоко - творог - сыр - содержание минеральных веществ существенно возрастает. Например, содержание кальций (мг/100 г) составляет соответственно 120; 170, 1040.

Микроэлементы в молоке связаны с белками и оболочками жировых шариков. Их содержание составляет около 0,1% всех минеральных веществ. Характерно, что коровье молока мало содержит железа и меди. Поэтому в детские молочные смеси добавляют глицерофосфат железа, сульфат меди и др.

Наиболее важные ферменты молока относятся к классам оксидоредуктаз и гидролаз. Многие из них продуцируются микроорганизмами молока. Различают внеклеточные ферменты (экзоферменты), связанные с процессом питания, и внутриклеточные ферменты (эндофер- менты), которые действуют вну три клетки.

Оксидоредуктазы: дегидрогеназы, оксидазы, пероксидаза, каталаза - катализируют окислительно-восстановительные реакции в живом организме. Интересно отметить, что дегидрогеназы молочной железой не вырабатываются, а накапливаются в молоке в результате деятельности бактерий. С помощью редуктазной пробы на производстве оценивают бактериальную осемененность молока, используя при этом в качсстве восстановителей (донора молекулы Н2) метиленовый голубой или резазурин.

Дегидрогеназы, вырабатываемые молочнокислыми бактериями и дрожжами, играют важную роль в молочнокислом и спиртовом брожении. В этих процессах функционируют соответственно лактатдегид- рогеназа и алкогольдегидрогеназа.

Из оксидаз отметим ксантиноксидазу, которая окисляет альдегиды и пуриновые основания (ксантин) до соответствующих кислот.

К гидролитическим ферментам относятся липазы, фосфатазы, протеазы, лактаза, амилаза и лизоцим.

Липазы катализируют гидролиз триглицеридов молочного жира. Различают нативную и бактериальную липазы. Действие липаз, связанное с выделением низкомолекулярных кислот (масляной, капроновой и др.), приводит к прогорканию молока. Высокой активностью обладают липазы, продуцируемые микрофлорой молока - психо грофны- ми бактериями и плесневыми грибами.

Нативные липазы инактивируются при температуре пастеризации (80°С). Бактериальные липазы более термостабильны, разрушаются при 80-90°С).

Фермент фосфатазы гидролизует эфиры фосфорной кислоты. Различают щелочную и кислую фосфатазу с оптимумом действия при pH 9,6 и 5,0 соответственно. Щелочная фосфатаза чувствительна к повышению температуры - она разрушается уже при нагревании (63°С) в течение 30 мин.

Протеазы (протеолитические ферменты) с высокой специфичностью катализируют гидролиз пептидных связей белков и полипептидов. Небольшое количество нативной протеазы (плазмина) переходит в молоко из крови.

Микрофлора молока выделяет активные протеазы, способные вызывать различные пороки молока и масла. Так, при размножении в молоке микрококков и гнилостных бактерий появляется его горький вкус.

Молочнокислые бактерии вырабатывают малоактивные протеазы, имеющие, однако, важное значение при созревании сыров. При производстве последних для свертывания молока применяют протеолитический фермент животного происхождения - сычужный фермент (химозин). Известны и заменители сычужного фермента - пепсин и протеолитические ферменты микробного происхождения.

Важными ферментом молока является лизоцим (мурамидаза). Он гидролизует полисахариды клеточных стенок бактерий и вызывает их гибель, действуя, таким образом, вместе с другими антибактериальными факторами (иммуноглобулинами, лактроферрином, лактоперок- сидазой, лейкоцитами и др.). В женском молоке лизоцима в 3000 раз больше, чем в коровьем.

В молоко из молочной железы переходит фермент лактосинтета- за, осуществляющей синтез лактозы из глюкозы и галактотозы, а при спиртовом брожении в кефире и кумысе расщепление пировиноград- иой кислоты на СО2 и уксусный альдегид катализирует пнруватдекар- боксилаза.

Молоко содержит практически все витамины, необходимые для нормального развития человека. Они попадают в него вместе с кормом животных и синтезируются микрофлорой рубца.

Содержание витаминов изменяется при хранении и тепловой обработке молока (пастеризации, сгущении, сушке). Некоторые из витаминов окисляются либо разлагаются.

В молоко из крови поступают гормоны - химические стимуляторы, образующиеся в клетках желез внутренней секреции и регулирующие обмен веществ в организме. По природе они могут быть полипептидами (инсулин, пролактин), стероидами (половые гормоны) и производными аминокислот (тироксин и др.). В частности, пролактин стимулирует развитие молочных желез и образование молока; окситоцнн - стимулирует отделение молока.

Молоко при получении и обработке соприкасается с воздухом, что обусловливает попадание в молоко газов (80-120 мг в 1 кг молока). Доля СО2 - 50-70%, кислорода - 5-10%, азота - 20-30%.

В процессе хранения вследствие развития микрофлоры в молоке понижается содержание кислорода. По степени его снижения можно судить о качестве заготовляемого молока.

Из окружающей среды через организм животного в молоко могут попадать различные чужеродные химические вещества (ксенобиотики) и вещества биологического происхождения, опасные для здоровья человека (рис. 11.2).

Так, в молоке могут оказаться лекарственные препараты, в частности, антибиотики, которые используют при лечении заболеваний животных (например, мастита). Присутствие в молоке антибиотиков изменяет его свойства, в частности, подавляет развитие молочнокислых бактерий, участвующих в производстве кисломолочных продуктов. Антибиотики нарушают процесс сычужною свертывания молока при производстве творога и сыра, что приводит к ухудшению их качества.

В организм животных, а затем и в молоко попадают различные пестициды - химические вещества, используемые в сельском хозяйстве для защиты растений и животных от болезней и вредителей.

Фосфороорганические пестициды (хлорофос, карбофос, фосфа- мид и др.) довольно быстро разрушаются в пищеварительном тракте животного и переходит в молоко в незначительных количествах. В то время как хлороорганические пестициды (ДДТ, альдрин, гексахлоран и др.) сильно токсичны и отличаются высокой стойкостью во внешней среде. Они могут накаливаться годами в почве, жировых тканях, в органах животных и человека, попадая, естественно, и в молоко.

Посторонние химические вещества молока (по К.К. Горбатовой)

Рис. 11.2. Посторонние химические вещества молока (по К.К. Горбатовой).

К числу опасных загрязнителей молока относятся канцерогенные полициклические ароматические углеводороды типа антрацена, 3, 4- бензпирен, полихлорбифенилы, входящие в группу высокотоксичных диоксинов, и соли тетраалкиламмония. Последние обладают сильным бактерицидным действием и способны подавлять полезную для организма микрофлору.

Заражение животного по цепочке: почва - растения - животные - мясо, молоко - прослеживается на примере препарата пестицидного действия - 2,4,5-трихлорфеноксиуксусной кислоты (2,4,5-Т). В техническом продукте этого пестицида обнаруживаются примеси 2, 3, 7, 8-

тетрахлордибенздиоксина (диоксина), который в минимальных дозах вызывает тератогенный эффект у животных и человека. Образование тетра- хлордибенздиоксина в процессе синтеза гербицида 2,4,5-Т происходит вследствие побочного превращения одного из реагентов -трихлорфенола:

Суть тератогенного эффекта заключается в том, что вещество (тсрато- ген) вызывает определенные нарушения в соматических клетках развивающегося зародыша, при этом генеративные клетки могут быть не затронуты. Таким образом, тератоген поражает не организм, его ассимилирующий, а последующие поколения, вызывая функциональные отклонения и физические поражения. В настоящее время большинство лекарственных препаратов, пищевых добавок, косметических средств и т.п. подвергаются проверке на тератогенные свойства. К числу тератогенов относятся пенициллин, витамины A, D, и ?, никотин, соли ртути и др.

В последнее время диоксин обнаруживался в крупных партиях говяжьего мяса.

Большую угрозу для здоровья человека представляют попадающие в молоко соли тяжелых металлов (ртути, свинца, кадмия, меди, цинка) и радиоактивные изотопы. Характерно, однако, что радиоактивное молоко вполне пригодно для выработки масла, поскольку в него переходит менее 1% радиоактивных изотопов от общего их количества в молоке.

При вскармливании животных ядовитыми растениями, зерновыми кормами с примесью ядовитых семян, проросшим картофелем в молоко попадают различные растительные яды (токсины). Их токсичность обусловлена наличием алкалоидов (колхицина, соланина, госси- пола, эфирных масел полыни и горчицы и др.). Сильнодействующие токсины (микотоксины) продуцируют некоторые виды плесневых грибов (Aspergillus, Fusarium, Aspergillus flavus и др.), поражающие сено, солому, зерно.

Молочные продукты могут быть отравлены и токсинами бактериального происхождения, например, вырабатываемыми стафилококками. Их продукты жизнедеятельности - энтеротоксины - выдерживают пастеризацию и разрушаются только при кипячении молока в течение 2 ч. Источниками загрязнения молока стафилококками могут быть не только больные животные, но и люди с гнойничковыми поражениями рук или больные ангиной.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>